DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

1. DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

2. DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO ROTEIRO DA AULA • Importância do tema • Definições : componente, sistema, fase, equilíbrio • Limite de solubilidade • Metaestabilidade (sistemas fora do equilíbrio) • Sistemas com um único componente • Sistemas binários • Regra da alavanca • Regra das Fases • Transformações : eutética, eutetóide, peritética, peritetóide • Desenvolvimento de estruturas em sistemas binários • em condições de equilíbrio • fora do equilíbrio • em sistemas com eutéticos

3. DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 1. IMPORTÂNCIA: - Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura, composição e quantidade de fase em equilíbrio; - Permite a visualização da solidificação e fusão; - Prediz as transformações de fases; - Dá informações sobre outros fenômenos.

4. DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 2.Definições: - Componentes: São metais puros e/ou compostos químicos e/ou compostos que constituem uma liga. (Latão = Cu + Zn) • Sistema: – Definição 1 : quantidade de matéria com massa e identidade fixas sobre a qual dirigimos a nossa atenção. Todo o resto é chamado vizinhança. Exemplo: uma panela de fundição com aço fundido. – Definição 2 : série de ligas formadas pelos mesmos componentes, independendo da composição específica. Exemplo: o sistema Ferro-Carbono. • Fase: – Uma porção homogênea do sistema, que possui propriedades físicas e químicas características. Exemplo: fases a, b e L da liga ao lado.

5. DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 2.Definições: • Fase:

6. DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 2.Definições: EQUILÍBRIO • Em termos “macroscópicos” – Um sistema está em equilíbrio quando suas características não mudam com o tempo, e tende a permanecer nas condições em que se encontra indefinidamente, a não ser que seja perturbado externamente. • Em termos termodinâmicos – Um sistema está em equilíbrio quando sua energia livre é mínima, consideradas as condições de temperatura, pressão e composição em que ele se encontra. – Variações dessas condições resultam numa alteração da energia livre, e o sistema pode espontaneamente se alterar para um outro estado de equilíbrio (no qual a energia livre seja mínima para as novas condições de temperatura, pressão e composição). Energia Livre DG = DH – T DS

7. DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 2.Definições:

8. DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

9. DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 2.Definições: Microestrutura • é caracterizada pelo número de fases existentes, por suas proporções e pela maneira pela qual elas estão distribuídas ou arranjadas. Latão (cobre-zinco) Alumínio- 18% silício) Molibdênio puro

10. 4. FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEIS • Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo. Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas • Fases metaestáveis: suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis Raio-X

11. SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS • L: Solução líquida homogênea contendo Ni+ CU • : Solução sólida homogênea contendo Ni+ CU. • Isomorfo: sistema em que existe solubilidade completa dos dois componentes nos estados líquidos e sólidos • Linha liquidus: afase líquida está presente em todas as temperaturas e composições localizadas acima desta linha. • Linha solidus: abaixo da qual, para qualquer temperatura e composição, existe apenas a fase sólida.

12. SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS % atômica Ni L = Solução líquida homogênea de Cu + Ni Solução sólida homogênea de Cu + Ni

13. 4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS • Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni) linha liquidus linha solidus FILME

14. INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO - Fases presentes localiza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número de fases presentes - Composição química das fases usa-se o método da linha de conexão (isotérma) Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga - Percentagem das fases (quantidades relativas das fases)regra das alavancas

15. SISTEMA BINÁRIO Cu-NiDETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES 1- determina a temperatura e composição no diagrama. Ex: T 1150ºC 50%p de Ni B – 100% fase sólida A composição é a mesma da liga. C B

16. SISTEMA BINÁRIO Cu-NiDETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES 1- determina a temperatura e composição no diagrama. Existe duas formas: 1- Região monofásica:a composição é a mesma da liga presente. Ex: T 1100ºC; 80%p de Ni (A)%100 fase sólida 80% de Ni e 20%Cu. 2- Região bifásica: Ex: T= 1240ºC; 60%Ni B A Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu

17. SISTEMA Cu-NiDeterminação das quantidades relativas das fases • Existe duas formas: • 1- Região monofásica:somente uma fase está presente %100 fase. • 2- Região bifásica: usa-se a linha de amarração em conjunto à regra da alavanca. Seguindo o procedimento: • Constroi-se a linha de amarração e localiza a composição global sobre esta linha; • Calcula-se a fração de fase: toma-se o comprimento da linha de amarração desde a composição global até a fronteira com a fase oposta e divide-se pelo comprimento total da linha de amarração • A fração da outra fase é determinada de maneira semalhante;

18. Composição das fases Percentagem das fases Fase líquida: S = R R+S L = C-C0 C-CL L = Co-CL C-CL L = S R+S Fase sólida: SISTEMA Cu-NiDeterminação das quantidades relativas das fases Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu

19. Composição das fases SISTEMA Cu-NiExercício: Determinação das quantidades relativas das fases (tomando: 1250ºC; 35%pNi) Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu

20. Composição das fases SISTEMA Cu-NiExercício: Determinação das quantidades relativas das fases (tomando: 1250ºC; 35%pNi) Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu

21. Exercício: Uma liga Cu-Ni com composição 70%pNi-30%pCu é aquecida lentamente a partir de 1300ºC. Determine:Temperatura que se forma a primeira fração de fase líquida;Qual a composição desta fase líquida Qual a temperatura que ocorre a fusão completa da liga.Qual a composição da última fração de sólido que permanece no meio antes da fusão completa

22. DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO • A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação lentas; • Na prática, não há tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio; • O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamento; • Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme).

23. DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO (35%p Ni – 65%pCu) 1260ºC

24. 1260ºC DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO (35%p Ni – 65%pCu)

25. “CORED” x EQUILÍBRIO DE FASES Rápida taxa de resfriamento: Baixa taxa de resfriamento: Estrutura de “CORED”Equilíbrio

26. Microestrutura fora do equílibio • CONSEQÜÊNCIAS DA SOLIDIFICAÇÃO FORA DO EQUILÍBRIO: • Segregação • zonamento (coring) • diminuição das propriedades • Pode haver a necessidade de recozimento Zonamento observado numa liga de Zn Contendo Zr (aumento 400X)

27. Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação

28. Curva de solidificação e Remoção do calor latente de fusão

29. Propriedades mecânicas isomorfas

30. São encontradas 3 regiões monofásicas distintas: • rica em cobre e prata como soluto • rica em prata e cobre como soluto • Temperaturas baixo da linha BEG apenas uma concentração limitada de prata irá se dissolver no cobre – idem para o cobre. • CBA –limite de solubilidade para a fase • B (8%p Ag)Solubilidade máxima da prata no cobre na fase • G (8,8%pCu) solubilidade máxima do Cobre na Prata na fase SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

31. 3 regiões bifásicas • Eutético : ponto onde o equilíbrio é invariante, portanto o equilíbrio entre três fases ocorre a uma determinada temperatura e as composições das três fases são fixas. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS • Composição eutética –solidifica a uma T abaixo de qualquer outra liga • Temperatura eutética – T mais baixa a qual pode existir fase líquida

32. Exercício • Faça uma análise das fases presentes nos seguintes pontos do diagrama de fases Pb-Sn: 40%Sn e T= 150ºC Composição das fases Alfa = 10% Sn – 90% Pb Beta =98%Sn-2%Pb Quantidade das fases

33. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS • Exercício • Faça uma análise das fases presentes nos seguintes pontos do diagrama de fases Pb-Sn: (fases presentes, composição das fases e proporção das fases) • Composição eutética: • 40%Sn e T= 230ºC • 40%Sn e T= 185ºC • 40%Sn e T= 180ºC

34. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS 40%Sn e T= 230ºC • Composição eutética:

35. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS 40%Sn e T= 185ºC 40%Sn e T= 180ºC

36. Caso 1 Composição - 2%p Sn Varia entre a composição de um componente puro e a solubilidade sólida máx para o componente a temp. ambiente. Muito pequena a faixa de composições químicas em que pode se formar estrutura monofásica Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas Resfriamento a partir de 350ºC até 20ºC da Sn Pb

37. Caso 2 Composição - 15%p Sn PRECIPITAÇÃO • Ao ser ultrapassado o limite de solubilidade (linha solvus) de Sn no Pb, ocorre a precipitação da fase , de reticulado cristalino distinto do da fase e com distintas propriedades físico-químicas. Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas Resfriamento a partir de 350ºC até 20ºC da Sn Pb

38. A transformação eutética corresponde à formação de uma mistura de duas fases a partir do líquido formando um arranjo interpenetrado Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas Caso 3 - Solidificação da composição eutética

39. A transformação eutética corresponde à formação de uma mistura de duas fases a partir do líquido formando um arranjo interpenetrado Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas Estrutura eutética

40. A transformação eutética corresponde à formação de uma mistura de duas fases a partir do líquido formando um arranjo interpenetrado Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas Caso 4 – todas as composições que durante o resfriamento cruzam a isoterma eutética (com exceção da composição eutética). Em ligas hipo-eutéticas ocorre inicialmente precipitação de fase primária - dendritas de a pró-eutéticas. O líquido eutético residual L (61,9% Sn) se transforma em microestrutura eutética [a(18,3% Sn)+b(97,8%Sn)].

41. A transformação eutética corresponde à formação de uma mistura de duas fases a partir do líquido formando um arranjo interpenetrado P Q R Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas Fração de microconstituinte eutético = fração da fase líquida.

42. A transformação eutética corresponde à formação de uma mistura de duas fases a partir do líquido formando um arranjo interpenetrado Reação eutetóide e peritetóide Fração de microconstituinte eutético = fração da fase líquida.

43. SISTEMA EUTÉTICO – REGRA DAS FASES

44. REAÇÕES NA REGIÃO DE SOLUBILIDADE

45. HIPO-EUTÉTICO E HIPER-EUTÉTICOHIPO-EUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICOHIPER-EUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICO

46. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES INTERMEDIÁRIAS • REAÇÃO EUTETÓIDE:   +  ( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de uma líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas. • REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases em equilíbrio  + Líquido  Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se numa outra fase sólida

47. PERITÉTICO E EUTÉTICO

48. PERITÉTICO Envolve 3 fases em equilíbrio

49. PERITÉTICO DUPLO

50. EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO Ponto de fusão congruente